材料化学

材料化学材料的定义：国内外3部大型辞书对材料的定义：①《LongmanDictionary》：anythingfromwhichsomethingisormaybemade。②《OxfordAdvancedLearner’English-ChineseDictionary》：thatofwhichsomethingiscanbemadeorwhichsomethingisdone。③《辞海》：人们把自然界经过开采而获得的劳动对象称为原料。自然界自然存在而未经过人类任何劳动输入的就不能称为原料。例如，开采出来的矿物是冶金的原料，种植出来的小麦是制造面粉的原料，单采掘工业中就没有原料。在加工工业中，一般把来自采掘工业和农业的劳动对象称为原料，把经过工业加工的原料（如钢铁、水泥）称为材料。材料和原料合成为原材料。《辞海》定义可以总结为：经过人类劳动而取得的劳动对象称为原料，经过二次加工的原料称为材料。第一章无机材料化学概论1.1材料化学的起源与发展1.1.1材料的发展史材料化学材料的使用程度是人类社会发展的里程碑从人类社会发展来看，使用材料经历了三大里程碑：石器时代：以石头制造工具。可以划分为旧石器时代（公元前2～3百万年至约1万年），从原始部落到母系社会；中石器时代（公元前约1万年至7～8千年）；新石器时代（公元前7～8千年至6千年）。这期间，我们的祖先以石器为主要工具，在寻找石器的过程中认识了矿石，发明了火，制造了第1种人造材料——陶，并在烧陶过程中发展了冶铜术，开创了冶金技术。铜器时代：人类大量制造和使用第2种人造材料——“红铜”和“青铜”。“红铜”时代约在公元前4～5前年，即原始社会到奴隶社会初期；“青铜”时代约在我国商周时代和私有制建立的前夜。铁器时代：人类制造和使用第3种人造材料——铸铁，随后是钢铁工业的迅猛发展,成为18世纪产业革命的重要内容和物质基础。人类社会发展到20世纪中叶以来，科学技术突飞猛进，日新月异，作为发明之母和产业粮食的新材料研制更是异常活跃，出现了称之为聚合物时代、半导体时代、先进陶瓷时代和复合材料时代等种种提法。在当前新技术革命涉及整个国际社会的浪潮冲击下，人类进入了一个材料革命的新时代。材料化学材料的发展过程第一代天然材料第二代烧炼材料第三代合成材料第四代设计型材料第五代智能材料材料化学1.1.2化学的发展史化学是研究物质的形成、性质和变化的科学核心与特征：合成新物质(Synthesis)物质的组成与结构(WhathaveIgot?)物质的性质与变化(Howdidthattransformationhappen?)为什么是这种结构，为何发生这种变化(Whythatchangeorstructure,ratherthanothers?)1789，Lavoisier,化学开始成为科学200年前，化学的中心问题：“Whatisit？”(分析物质的组成，至少在元素水平上)1901-，最常问的问题：“How?”和“Why?”(从宏观尺度理解物质的变化，Gibbs化学热力学)“新化学”与100年以前有何区别？合成，更精通和突出，以某种可控的方式;分析，更深入和细致，;化学反应机理，转化的原子路径，飞秒时间尺度;理论，不仅限于解释和理解，预言性可与实验竞争与物理、材料和生命科学的交叉与融合！材料化学1.1.3材料和物理、化学的关系及材料化学的起源与发展性质使用性能结构成分理论及材料与工艺设计合成与制备受环境影响使用效能●通过过程现象揭示材料组成-工艺—结构-性能关系。●结构决定性能，组成与工艺决定结构的形成。●结构因素包括：组成基元、排列、结合类型和运动方式●结构的层次：原子结构、原子排列、相结构、显微组织、结构缺陷等。材料的不同性能是材料的内在因素在一定外在因素作用下的综合反应。材料化学1.2无机材料化学的研究内涵1、改变构成材料的化学组成及结构从而制备新材料2、采用新技术和工艺方法制备新材料3、材料组成和微观结构的表征4、材料性能的测试材料化学材料化学)11(331021nrAzzμ为点阵能A为与结构有关的Madelung常数n为与电子构型有关的Born指数r0为离子间距z1、z2为离子价材料化学1.3无机材料化学的研究热点与展望1、新的化学结构和新功能的研究和开发2、复合材料的研究和开发3、新的化学技术开发和应用4、新的化学工艺的开发和应用材料化学第二章无机材料化学设计2.1无机材料化学设计的基本原理与方法2.1.1材料设计的结构层次1、微观设计层次2、连续模型层次3、工程设计层次材料化学2.1.2材料设计的主要途径1、材料知识库和数据库技术2、材料设计中的计算机模拟3、材料设计中的新方法和新手段1）网络拓扑方法材料化学2）仿生结构材料设计通过研究自然界中生物体的物质结构及其特有的功能，学习制造新材料的思路和方法，并进行相关的材料的设计，称为仿生结构材料设计。科学家找到了贝壳硬而摔不破的原因，于是模仿贝壳的结构设计出一种摔不破的陶瓷。将涂有石墨层的SiC陶瓷片用热压法层层叠起来，抗冲击能力可提高100倍。英国科学家用其制造汽车陶瓷发动机，它耐高温，不需要水冷系统。既坚硬又柔韧的仿生陶瓷是航天航空理想的发动机材料，也是制造装甲车、坦克和防弹车的理想材料。蜘蛛丝是世界上最坚韧的纤维之一，美国投入很大力量研究天然蜘蛛丝的结构、性能及生长机理，已研制出仿生蛛丝。材料化学2.2量子化学与材料设计2.2.1从头计算法（1）非相对论近似，即求解非相对论的薛定谔方程（2）玻恩-奥本海默近似也称为定核近似或绝热近似将固体整体平移、转动（外运动）和核的振动运动（外运动）分离出去；考虑电子运动时，以固体质心作为坐标系原点，并令其随固体整体一起平移和转动，同时令各原子核固定在他们振动运动的某一瞬间位置上；考虑核的运动时不考虑电子在空间的具体分布。（3）单粒子近似或轨道近似2.2.2密度泛函理论方法（Densityfunctionaltheory(DFT)）材料化学2.2.3量子化学设计材料的应用1.在新材料研究方面的应用)(VpVB3)13.6(32sFrnEBFEsr式中，是费米能级，n是电子密度是容纳一个电子的球半径。但对于四面体共价材料，其B值经验公式为：5.32201972dIB式中：d为键长，I为离子性材料化学a/nmB/GPaE/evβ－Si3N4实验值计算值β－C3N4实验值计算值0.7610.7560.7600.64425626528242774.374.882.5β－Si3N4和β－C3N4的晶格常数a、体积弹性模量B和结合能E材料化学2、在建筑材料方面的应用3、在金属及合金材料方面的应用4、在能源研究中的应用材料化学2.3无机材料设计化学热力学2.3.1固体材料化学热力学基本理论1、状态参量①几何参量。用以描述系统的大小、形状、体积等几何性质。②力学参量。用以描述系统的压强、应力、表面张力等力学性质。③化学参量。用来描述组成系统的各种化学组分的数量等化学性质，例如组分的摩尔数。④电磁参量。用来描述系统处在电、磁场作用下的性质，如电场强度、电极化强度、磁场强度、磁化强度等。材料化学2、状态方程dU=dQ+dWdW＝σλdελ＋EidDidU＝TdS＋σλdελ＋EidDiσλ、ελ、Ei、Di分别为应力、应变、电场强度与电位移DSUT,)(DSU,)(,)(siiDUE材料化学热力学能U（S,ε,D）；亥姆霍兹自由能F＝U-TS；焓H＝U-σλελ-EiDi；弹性焓H1=U-σλελ；电焓H2=U-EiDi；吉布斯自由能G＝U-TS-σλελ-EiDi；弹性吉布斯自由能G1＝U-TS-σλελ；电吉布斯自由能G2＝U-TS-EiDidU＝TdS＋σλdελ＋EidDidF=-SdT+σλdελ＋EidDidH=TdS-ελdσλ-DidEidH1=TdS-ελdσλ+EidDidH2=TdS+σλdελ-DidEidG=-SdT-ελdσλ-DidEidG1=-SdT-ελdσλ+EidDidG2=-SdT-σλdελ-DidEid（势函数）＝热电力±（自变量的共轭量）d（自变量）材料化学DTFS,)(DTF,)(,)(TiiDFEETGS,)(ETG,)(,)(TiiEGDDTGS,1)(DTG,1)(,1)(TiiDGEETGS,2)(ETG,2)(,2)(TiiEGD材料化学2.3.2由热力学理论设计与合成材料的基本方法1、经典法200//)(THTTGRPRdTCHHPTRR2980298.02TcbTaCPTcbTaTHHR200212982298298202980cbaHHR材料化学yTcTbTTaTHGR12002121ln20029829822298)298ln(298/)(cbaHGyR材料化学2、Φ函数法THGTTT000GT0为物质T温度下的标准自由能；00TH为物质在某一温度T0下的热焓THGTT02980'THGTT02980'THGRRTRT02980'',0298,0,TRRTRTHGiRiRTR反应物生成物－)()(''',材料化学3、热力学计算的应用举例CaCO3(s)→CaO(s)+CO2(g)(1)查找反应各物质热力学数据材料化学0298,RH0298,RS0298,RGabc(1)计算298K的、、及、和0298,RH＝－634.74－393.78＋1207.53＝178.99KJ/mol0298,RS＝39.78＋213.79－88.76＝164.80KJ/mol0298,RG＝178.99－298×164.8×103＝129.88KJ/mola＝49.66＋44.21－104.59＝－10.76b＝（4.52＋9.02－21.91）×10-3＝－8.37×10-3c＝（－6.95－8.54＋25.96）×105＝10.46×105材料化学（3）计算积分常数0H和y0H＝178.99＋3.21＋0.732＋3.51＝186.08KJ/moly=(129.88-186.09)/298－10.76×10-3ln298－2.50×10-3/2＋10.46×102/2×2982＝－0.245（4）建立反应自由能关系式0RG＝186.08＋10.7×10-3TlnT＋4.187×10-6T2－5.23×102T－1－0.245T（5）计算温度区间800～1400K范围内的0RGT/K80090010001100120013001400/KJ.mol-149.3633.9518.723.68-11.20-25.91-40.45材料化学(6)用图解法求解0RG＝0的温度条件（7）确定CaCO3的分解压PCO2与温度的关系RTGPRCO/ln022lnCOP=-22.38×103T-1-1.29lnT－0.50×10－3T＋0.63×105T-2+29.47材料化学2.由经典计算来设计材料nTiO2(R)+H2TinO2n-1+H2O(g)nTiO2(R)+COTinO2n-1+CO2(g)2H2+O22CO+O22CO22H2O材料化学材料化学材料化学3.1金属的冶炼3.1.1、电解法（熔融）（熔融）第3章无机材料制备化学材料化学3.1.2、热还原法（熔融）（熔融）材料化学3.1.3加热法材料化学3.1.4湿法冶金材料化学材料化学材料化学3.2金属的提纯纯度对金属的意义第一，金属的一些性质和纯度关系密切。第二，纯度研究有助阐明金属材料的结构敏感性、杂质对缺陷的影响等因素，并由此为开发预先